Основы проектирования производств основного органического синтеза3

ми, имеющими более низкую температуру (500–600 °С) и низкое содержание кислорода (приблизительно 1 %). Хотя для рециркуляции газа необходимо использовать дымосос, однако по сравнению с разбавлением свежих дымовых газов воздухом разбавление отработанными газами позволяет снизить содержание кислорода в дымовых газах, подаваемых на обогрев, и уменьшить окисление стенок аппаратуры.

К легкоплавким солям относятся нитрат-нитритные смеси. Первая смесь, содержащая 50 % NaNО2, 50 % КNО3, имеет температуру плавления 128,5 °С и предел применения 200–450 °С. Вторая смесь, содержащая 40 % NaNО2, 7 % NaNО3 и 53 % КNО3, имеет температуру плавления 145 °С и предел применения 200–540 °С. По свойствам двух названных смесей видно, что нитрат-нитритные смеси позволяют осуществлять нагрев до высоких температур. Они находят применение для обогрева контактных аппаратов, в которых идут реакции с большим тепловым эффектом. Коэффициент теплоотдачи для нитрат-нитритных смесей составляет 4,5–7 кВт/(м2 К). Нитрат-нитритные смеси нетоксичны, обладают незначительным коррозионным воздействием на конструкционные материалы, дешевы. Недостатком этих смесей как теплоносителей является высокая температура плавления. Для запуска системы циркуляции теплоносителя смесь необходимо предварительно расплавить и нагреть в специальной емкости с помощью какого-то другого теплоносителя, прогреть систему циркуляции и после этого заполнить ее смесью. При остановке аппарата смесь необходимо перед охлаждением слить в специальную емкость. При работе нитриты окисляются до нитратов, в результате температура плавления смеси повышается до 160 °С, после чего смесь необходимо заменить. Для уменьшения окисления применяется азотная подушка.

Легкоплавкие металлы имеют наибольшие значения коэффициента теплоотдачи и высокие температуры кипения. Пуск и работа установок с жидкими металлами сложны, а сами установки дороги, поэтому легкоплавкие металлы не находят промышленного применения для обогрева химической аппаратуры.

51

Жидкие металлы обладают высокой термической стойкостью и теплопроводностью, низким давлением паров. К их недостаткам относятся высокая агрессивность по отношению к конструкционным материалам, токсичность паров (особенно ртути, свинца, висмута, сурьмы), интенсивное окисление на воздухе.

Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) являются смесью ароматических, циклических, смешанных жирноароматических углеводородов. Они обладают низким коррозионным воздействием. Применение находят однокомпонентные ВОТ (глицерин, этиленгликоль, триэтиленгликоль, дифенил, терфенил, дитолилметан и др.) и многокомпонентные ВОТ, в состав которых входят эвтектические и неэвтектические смеси, минеральные масла (дифенильная смесь, терфенильные смеси, цилиндровые и компрессорные масла).

Среди высокотемпературных органических теплоносителей находят применение дифенильная смесь, дифенил, динил, дитолилметан, дикумилметан и т.д. Наиболее распространенный органический теплоноситель – дифенильная смесь. Она является азеотропной смесью дифенила (26,5 %) и дифенилового эфира (73,5 %). Дифенильная смесь применяется в жидком виде до 258 °С и в парообразном состоянии до 380 °С и давлении 0,6 МПа. Теплота парообразования дифенильной смеси очень мала и составляет 230–300 кДж/кг при температуре 258–380 °С. Поскольку плотность ее паров примерно в 7 раз выше плотности водяного пара, объемная теплота конденсации паров дифенильной смеси остается достаточно высокой. Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дифенильной смеси несколько ниже, чем при конденсации водяного пара, и составляет примерно 15 кВт/(м2 К).

В отличие от обогрева дымовыми газами и водяным паром, обогрев другими теплоносителями требует замкнутой системы циркуляции. Эта система состоит из обогреваемых аппаратов (или одного аппарата), парогенератора, циркуляционных насосов и других устройств, необходимых для нормальной работы системы обогрева. Парогенератор представляет собой обычный паровой котел с тонкой

52

форсункой, трубным пучком и т.д. Для аппаратов малого размера парогенераторы устанавливаются непосредственно на аппарате в виде обогреваемых рубашек со встроенными электронагревательными элементами.

Для обеспечения циркуляции теплоносителя парогенератор должен быть установлен ниже обогреваемых аппаратов (см. рис. 2.1). Высота столба жидкости, обеспечивающая преодоление сопротивлений циркуляционного контура, на практике составляет 1–5 м. При расчете циркуляционного контура скорости паров принимаются равными 10–12 м/с, а скорости конденсата – 0,4–0,6 м/с. Даже при принудительном возврате конденсата скорость его от конденсационного горшка до сборной емкости сохраняется в пределах 0,4–

0,6 м/с.

Дифенильная смесь не смешивается с водой и не поглощает влагу. Она обладает большой проницаемостью, поэтому все коммуникации рекомендуется соединять на сварке или использовать фланцевые соединения типа «шип-паз». Дифенильная смесь невзрывоопасна и нетоксична, но горюча. Так как в процессе работы смесь разлагается, то необходим периодический вывод из системы газов, образующихся при разложении, а сама смесь через 500 ч анализируется на содержание смолы.

Минеральные масла в качестве теплоносителей можно использовать до 250 °С. Глицерин применяется до 220–250 °С; он неядовит, невзрывоопасен, но гигроскопичен. Кремнийорганические соединения имеют температуру кипения 400–440 °С и стойки до температуры 320 °С; они также неядовиты и невзрывоопасны, но имеют высокую стоимость.

В качестве хладагентов применяются следующие группы веществ: вода; растворы и рассолы; низкокипящие жидкости.

Этиловый спирт замерзает при температуре –112 °С, а водные растворы этилового спирта имеют температуру замерзания в пределах от 0 до –112 °С. 23%-ный раствор NаCl имеет температуру замерзания –21 °С, а 30%-ный раствор СаС12 замерзает при –35 ºС.

53

Используя низкокипящие жидкости, удается эффективно отводить теплоту при испарении этих жидкостей. Аммиак имеет температуру кипения –33 °С и, несмотря на то, что он ядовит, широко применяется в качестве хладагента. Органические жидкости (этан и этилен) имеют, соответственно, температуру кипения –88 °С и – 103° С. Кроме них широко применяются пропан, пропилен, гептан и т.д. Если аммиак токсичен, а органические жидкости огне- и взрывоопасны, то фреоны (хладоны) нетоксичны, не воспламеняются и химически инертны. Фреон-12, фреон-13 и фреон-14 имеют соответственно температуру кипения –30 °С, –81,5°С и –128 °С. В лабораторных исследованиях применяется жидкий азот, имеющий температуру кипения –196 °С.

2.3. Футеровка и изоляция реакторов

Антикоррозионная футеровка реакторов необходима для защиты корпуса аппарата от действия агрессивной среды. В большинстве случаев для футеровки используются неметаллические материалы, обладающие большей коррозионной стойкостью в агрессивных средах, чем металлы. Кроме защиты от агрессивной среды корпус аппарата в некоторых случаях необходимо защищать от действия высоких температур. И, наконец, для большинства аппаратов, работающих с повышенными температурами, необходима наружная теплоизоляция для уменьшения потерь теплоты в окружающее пространство идляпредотвращения ожогов обслуживающего персонала.

При футеровке аппаратов металлами стальной корпус аппарата несет на себе нагрузку от внутреннего давления среды и веса всех узлов аппарата. Облицовочный слой из меди, свинца, нержавеющей стали, титана и других металлов предохраняет стальной корпус аппарата от действия агрессивной среды. Так как нержавеющая сталь и титан имеют высокие прочностные свойства и способны нести нагрузки от давления среды и веса, то многие аппараты в настоящее время целиком изготавливают из нержавеющей стали или титана.

54

Из неорганических материалов для антикоррозионной футеровки находят применение эмали, керамические изделия и литые каменные породы в виде футеровочных плиток и кирпичей, кислотоупорные цементы.

Из органических материалов для антикоррозионной футеровки применяются пластмассы, лаки и клеи. Количество полимерных композиций, применяемых для футеровки, очень велико. Наиболее широко используются следующие материалы: 1) фаолит – кислотоупорная масса, состоящая из фенолформальдегидной смолы и наполнителя (основной составляющей наполнителя является асбест);

2)винипласт – продукт термической пластикации полихлорвиниловой смолы со стабилизаторами, мягчителями и другими добавками;

3)полиэтилен – полимер, полученный полимеризацией этилена (во многих отношениях подобен винипласту); 4) полиизобутилен – стоек до температуры 100 °С и применяется в качестве подслоя при футеровке аппаратов неорганическими материалами. Неорганические кислотоупорные материалы предохраняют полиизобутилен от механических повреждений, так как при температуре более 50 °С полиизобутилен размягчается и не выдерживает механических воздействий. Обкладка аппаратов резиной (гуммирование) применяется для футеровки аппаратов, подверженных вибрации. Лаковые покрытия также являются полимерными материалами и служат для покрытия неответственных аппаратов. Для склеивания футеровочных органических материалов применяются различные клеи – БФ-2, БФ-3, БФ-6, эпоксидные смолы и т.д.

Вцелом изоляционное покрытие состоит из изоляционного и покровного слоев. Изоляционный материал является рыхлой массой, передача теплоты в которой происходит теплопроводностью твердого костяка и воздуха в порах материала, лучеиспусканием и конвекцией воздуха в порах. Таким образом, коэффициент теплопроводности изоляции является эффективной величиной, учитывающей все способы передачи теплоты через материал. Кроме коэффициента теплопроводности характеристиками изоляционного материала яв-

55

ляются максимальная температура применения и объемный вес. От объемного веса зависит весовая нагрузка на опорную конструкцию. Чрезмерные весовые нагрузки особенно опасны для трубопроводов. Поэтому для трубопроводов установлены предельные толщины изоляции, при которых весовая нагрузка не превышает допускаемого значения.

Покровный слой служит для предохранения изоляционного слоя от разрушения. Он имеет высокую теплопроводность и большую прочность. Покровный слой может изготавливаться из цементной штукатурки, алебастро-асбестовой штукатурки, асбозуритовой штукатурки и т. д., отдельных элементов сухой штукатурки, гибких материалов (хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, рубероид), листового материала (сталь кровельная, сталь тонколистовая нержавеющая, жесть белая, алюминий листовой).

Толщина штукатурного слоя составляет 10–20 мм. Ткани (миткаль, парусина, мешковина) применяются до температуры 80 °С. Наиболее часто ткань используют для защиты изоляции трубопроводов, проходящих внутри помещений.

Для изоляции фасонных частей – фланцев, компенсаторов, арматуры, требующих частого наблюдения и замены, применяют матрацы из изоляционного материала, поверх которых крепятся металлические кожухи, состоящие из двух шарнирно соединенных половинок.

Металлическое покрытие по сравнению с другими покровными материалами (штукатурные растворы, асбоцементные листы, плиты, полуцилиндры) обладают хорошим внешним видом, долговечностью и малыми затратами труда при выполнении изоляционных работ. Оно состоит из хомутов, укрепляемых на корпусе аппарата, распорных планок и опорных колец (диафрагм), листового металлического покрытия, самонарезающих винтов. Хомут состоит из нескольких элементов, укрепляемых с помощью болтов на корпусе аппарата. К хомуту приварены распорные планки, высота которых определяет толщину слоя изоляции. На вертикальных участках ап-

56

парата через 3–4 м устанавливаются разгружающие устройства (опорные полки или диафрагмы).

Изготавливается металлическое покрытие из тонколистовой черной или оцинкованной стали, листового алюминия и алюминиевых сплавов. Наиболее востребована толщина листов 0,7–1,0 мм. В случае особо агрессивных сред используется тонколистовая кор- розионно-стойкая сталь Х18Н9Т и др.

Соединяются отдельные листы с помощью фальцевого шва или с помощью самонарезающих винтов. Фальцевый шов – это соединение двух листовых заготовок путем предварительного отгиба кромок с последующим плотным прижатием кромок одна к другой. Самонарезающие винты имеют коническую форму и при завинчивании нарезают резьбу в отверстиях металлических листов. Используются винты при соединении листов внахлестку. Широко применяются винты диаметром 2–5 мм и длиной 10–16 мм.

Для придания жесткости отдельным листам на их поверхности делаются зиги – валики жесткости. Часто бывает достаточным делать зиги около продольной или поперечной кромок листа.

Фланцевые соединение и арматура покрываются съемными футлярами с вмонтированной изоляцией из минеральной ваты, минераловатных матов или других изоляционных материалов. Съемная конструкция покрытия позволяет легко выполнять осмотры и ремонты. Футляр состоит из двух половинок, которые соединяются с помощью бандажей, изготовленных из металлической полосы, или с помощью соединительных планок.

Для защиты от атмосферной коррозии металлическое покрытие снаружи окрашивается. В агрессивных средах покрытие окрашивается химически стойкими красителями.

Теплоизоляционные конструкции полной заводской готовности состоят из теплоизоляционного вкладыша, защитного покрытия и крепежных деталей. Для изоляции трубопроводов используются минераловатные скорлупы на связке из синтетических смол длиной 500

и 1000 мм.

57

2.4. Опоры аппаратов

Оборудование устанавливается в горизонтальном или вертикальном положении. В соответствии с этим используются различные опорные устройства. Вертикальные колонные аппараты обычно устанавливаются на фундаменте, а иногда на несущей металлоконструкции или на перекрытии. При установке колонного аппарата на фундаменте используются опорные устройства, имеющие цилиндрическую или коническую форму. При установке колонны на перекрытии используются лапы. Число лап для удобства выверки вертикальной оси аппарата в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях принимается равным четырем.

Типовая реакционная аппаратура емкостного типа устанавливается на лапах или стойках. Лапы привариваются к цилиндрической части аппарата, а стойки – к днищу аппарата. При необходимости установки аппарата на определенной высоте аппарат устанавливается на опорной металлоконструкции. В некоторых случаях для небольших аппаратов с целью упрощения конструкции опоры вместо лап и несущей металлоконструкции к корпусу аппарата привариваются удлиненные стойки из труб или уголков.

При большом весе аппарата в месте крепления к корпусу подвесной лапы возможно смятие корпуса от реакции опоры. Расчет изгибающих напряжений, приводящих к смятию корпуса, очень сложен. Для устранения смятия между корпусом и лапой приваривается подкладка. Для колонных аппаратов, вес которых велик, косынки устанавливаются между двумя кольцевыми поясами. Кольцевые пояса выполняют роль колец жесткости, предотвращающих смятие корпуса. При значительном возрастании веса аппарата число кольцевых поясов и косынок может быть увеличено, а фиксация аппарата на перекрытии может осуществляться не с помощью опорных плит, а с помощью сплошного опорного кольца.

При установке горизонтальных аппаратов необходимо учитывать возможность его температурных удлинений и прогиба корпуса под действием силы тяжести. При подвеске горизонтальных аппара-

58

тов используются опоры-лапы. В этом случае от реакции опоры также возможна местная потеря устойчивости корпуса с его вмятием. Для этих опор, как и для подвесных лап, могут использоваться подкладки, служащие для усиления корпуса аппарата. Подкладки во всех случаях следует применять при отношении толщины корпуса к диаметру аппарата менее 0,02.

Конструкция опоры, размещаемой в нижней части аппарата, зависит от диаметра аппарата. Чем больше диаметр аппарата, тем больше число стоек в опоре. Эти опоры также соединяются с корпусом аппарата через подкладку, которая в этом случае называется подкладным листом. Подкладной лист приваривается к корпусу аппарата, а к подкладному листу после установки аппарата на опорах привариваются лапки. Сама же опора крепится к фундаменту. Лапки крепятся на опоре с помощью болтового соединения. Отверстия в лапках для возможности перемещения аппарата в опоре из-за температурных удлинений имеют овальную форму. Таким образом, аппарат фиксируется на опоре и в то же время имеет возможность продольного перемещения из-за температурных удлинений. Для компенсации температурных удлинений используются также катковые опоры. Их применение необходимо только для аппаратов очень большого веса.

Число опор для горизонтального аппарата может быть равно двум, трем и более. При трех опорах необходима точная установка всех опор в одной плоскости, иначе одна из опор будет загружена не полностью, а аппарат получит продольный изгиб. При расчетах устойчивости аппарат считается неразрезаемой балкой круглого сечения, нагруженной равномерно распределенной весовой нагрузкой. Для обеспечения необходимой жесткости могут использоваться кольца жесткости, которые устанавливаются как на наружной, так и на внутренней поверхности аппарата. Потеря устойчивости возможна в месте установки опоры от действия реакции опоры; между опорами также возможна местная потеря устойчивости с вмятием корпуса от действия равномерно распределенной нагрузки, вызывающей появление изгибающих напряжений.

59

В месте установки опоры кольца жесткости располагаются на внутренней поверхности аппарата. Между опорами кольца жесткости лучше располагать на наружной поверхности, так как внутри аппарата они будут подвергаться коррозионному действию среды. При возможности применения углеродистых сталей ребра жесткости изготавливается из уголка, а при необходимости применения нержавеющих сталей – из листового проката.

60